Développement de composants transducteurs et de dispositifs aux fonctionnalités innovantes fondés sur la technologie des fibres microstructurées et des réseaux de Bragg PDF Download
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Author: Minh Châu Phan Huy
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Category :
Languages : fr
Pages : 243
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Book Description
Ce travail s’inscrit dans le cadre du développement des Capteurs à Fibres Optiques fondés sur les fibres dites microstructurées. Les nombreux avantages inhérents à ces fibres spéciales issues de cette technologie innovante sont liés à la présence dans la gaine optique de canaux d’air parallèles à l’axe du guide. Tant les télécommunications que l’instrumentation peuvent tirer profit des nombreuses possibilités offertes par la conception ‘à la demande’ de ce type de guide, rendue possible par l’assemblage parallèle de tiges et de tubes de silice qui constituent autant de zones de la préforme à partir de laquelle sera réalisée la fibre microstructurée. Ainsi, il est envisageable d’utiliser l’interaction entre le champ électromagnétique de l’onde optique et les milieux liquides, voire solidifiés, présents dans lesdits canaux pour réaliser des transducteurs ou bien des modulateurs actifs de lumière par exemple. Au-delà, la conception de la fibre permet d’optimiser la sensibilité de mesure aux paramètres recherchés. Enfin, le recours à des réseaux de Bragg photo-inscrits dans le cœur de la fibre complète avantageusement la fonction transductrice des capteurs en rendant possible les mesures déportées et spectralement multiplexées. Ce manuscrit décrit la photo-inscription d’un réseau de Bragg à pas court et à traits droits, ou à traits inclinés, dans une fibre microstructurée et l’étude de la sensibilité de sa résonance spectrale en fonction de l’indice de réfraction d’un milieu inséré dans les canaux de la fibre, et ce pour plusieurs conceptions de fibres. Le principe de la mesure est de suivre le décalage spectral de la raie de Bragg en fonction de l’indice de réfraction du milieu présent dans les canaux. Dans un premier temps, une caractérisation des fibres microstructurées fabriquées par le consortium du projet MONTE CRISTO auquel cette recherche était adossée (fibre à 6 trous, puis à 18 trous), a été réalisée via l’inscription de réseaux de Bragg à traits droits et la comparaison entre les résultats expérimentaux d’une imagerie modale en bout de fibre avec ceux issus des modèles. Pour ce faire, en plus de l’utilisation du logiciel commercial FEMLab (de type éléments finis) un outil de simulation, fondé sur la méthode des fonctions localisées, a été mis en œuvre au sein du laboratoire. Celui-ci permet, en outre, de déterminer la sensibilité d’un profil de fibre donné à l’indice de réfraction du milieu dans les canaux (les sensibilités obtenues respectivement avec les fibres à 6 et 18 trous pour un produit présent dans les canaux d’indice de réfraction proche de 1,33 sont de 4×10-3 u.i.r/ pm et 7×10-4 u.i.r/ pm). Cet outil nous a ensuite permis de modéliser la conception d’un profil de fibre microstructurée spécifique constitué de trois gros canaux proches du cœur. Cette constitution améliore grandement l’interaction entre le champ électromagnétique et le milieu inséré et in fine accroît la sensibilité de la résonance de Bragg à l’indice de réfraction (sensibilité de 3×10-5 u.i.r/ pm pour un indice de réfraction de l’ordre de 1,33). Dans un second temps, différents fluides d’indices de réfraction connus ont été introduits par capillarité dans les canaux de la fibre. L’évolution spectrale du réseau de Bragg photo-inscrit dans le cœur (dopée Ge) de la fibre microstructurée avec l’indice de réfraction a ainsi permis de déterminer finement la sensibilité de mesure. Une autre approche, fondée sur l’emploi d’un réseau de Bragg à traits inclinés a également été investiguée. Celle-ci, complémentaire de la première (consistant à modifier le profil de la fibre et donc ses caractéristiques optogéométriques), a permis, à nouveau, d’augmenter significativement la sensibilité de mesure en considérant l’évolution spectrale avec l’indice de réfraction d’un des modes d’ordre supérieur du réseau. Au delà, un dispositif réfractométrique ‘réversible’ sur plusieurs cycles permettant l’insertion puis l’extraction de liquides à analyser dans les canaux de la fibre, a été développé et caractérisé, démontrant ainsi la faisabilité de l’approche globale de mesure d’indices au sein des fibres microstructurées. En complément des mesures d’indice, une étude préliminaire a été réalisée afin de mettre en évidence la possibilité d’accroître la sensibilité thermique d’un réseau de Bragg à pas droits inscrit dans une fibre microstructurée, en insérant dans ses canaux un fluide dont l’indice est supérieur à une valeur ‘seuil’ fonction de la géométrie du guide. Ainsi il est possible de doubler la sensibilité thermique du réseau de Bragg, pour un profil de fibre et un indice de réfraction donné. Ainsi, la voie est désormais ouverte à toute une ingénierie de capteurs mettant en œuvre : réseaux de Bragg (droits ou en angle), fibres microstructurées optimisées et dispositifs fluidiques d’insertion ou d’extraction des liquides transducteurs ou à analyser. Les domaines d’emploi potentiel recouvrent de nombreux secteurs comme la biologie, la chimie ou l’environnement.
Author: Minh Châu Phan Huy
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Pages : 243
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Ce travail s’inscrit dans le cadre du développement des Capteurs à Fibres Optiques fondés sur les fibres dites microstructurées. Les nombreux avantages inhérents à ces fibres spéciales issues de cette technologie innovante sont liés à la présence dans la gaine optique de canaux d’air parallèles à l’axe du guide. Tant les télécommunications que l’instrumentation peuvent tirer profit des nombreuses possibilités offertes par la conception ‘à la demande’ de ce type de guide, rendue possible par l’assemblage parallèle de tiges et de tubes de silice qui constituent autant de zones de la préforme à partir de laquelle sera réalisée la fibre microstructurée. Ainsi, il est envisageable d’utiliser l’interaction entre le champ électromagnétique de l’onde optique et les milieux liquides, voire solidifiés, présents dans lesdits canaux pour réaliser des transducteurs ou bien des modulateurs actifs de lumière par exemple. Au-delà, la conception de la fibre permet d’optimiser la sensibilité de mesure aux paramètres recherchés. Enfin, le recours à des réseaux de Bragg photo-inscrits dans le cœur de la fibre complète avantageusement la fonction transductrice des capteurs en rendant possible les mesures déportées et spectralement multiplexées. Ce manuscrit décrit la photo-inscription d’un réseau de Bragg à pas court et à traits droits, ou à traits inclinés, dans une fibre microstructurée et l’étude de la sensibilité de sa résonance spectrale en fonction de l’indice de réfraction d’un milieu inséré dans les canaux de la fibre, et ce pour plusieurs conceptions de fibres. Le principe de la mesure est de suivre le décalage spectral de la raie de Bragg en fonction de l’indice de réfraction du milieu présent dans les canaux. Dans un premier temps, une caractérisation des fibres microstructurées fabriquées par le consortium du projet MONTE CRISTO auquel cette recherche était adossée (fibre à 6 trous, puis à 18 trous), a été réalisée via l’inscription de réseaux de Bragg à traits droits et la comparaison entre les résultats expérimentaux d’une imagerie modale en bout de fibre avec ceux issus des modèles. Pour ce faire, en plus de l’utilisation du logiciel commercial FEMLab (de type éléments finis) un outil de simulation, fondé sur la méthode des fonctions localisées, a été mis en œuvre au sein du laboratoire. Celui-ci permet, en outre, de déterminer la sensibilité d’un profil de fibre donné à l’indice de réfraction du milieu dans les canaux (les sensibilités obtenues respectivement avec les fibres à 6 et 18 trous pour un produit présent dans les canaux d’indice de réfraction proche de 1,33 sont de 4×10-3 u.i.r/ pm et 7×10-4 u.i.r/ pm). Cet outil nous a ensuite permis de modéliser la conception d’un profil de fibre microstructurée spécifique constitué de trois gros canaux proches du cœur. Cette constitution améliore grandement l’interaction entre le champ électromagnétique et le milieu inséré et in fine accroît la sensibilité de la résonance de Bragg à l’indice de réfraction (sensibilité de 3×10-5 u.i.r/ pm pour un indice de réfraction de l’ordre de 1,33). Dans un second temps, différents fluides d’indices de réfraction connus ont été introduits par capillarité dans les canaux de la fibre. L’évolution spectrale du réseau de Bragg photo-inscrit dans le cœur (dopée Ge) de la fibre microstructurée avec l’indice de réfraction a ainsi permis de déterminer finement la sensibilité de mesure. Une autre approche, fondée sur l’emploi d’un réseau de Bragg à traits inclinés a également été investiguée. Celle-ci, complémentaire de la première (consistant à modifier le profil de la fibre et donc ses caractéristiques optogéométriques), a permis, à nouveau, d’augmenter significativement la sensibilité de mesure en considérant l’évolution spectrale avec l’indice de réfraction d’un des modes d’ordre supérieur du réseau. Au delà, un dispositif réfractométrique ‘réversible’ sur plusieurs cycles permettant l’insertion puis l’extraction de liquides à analyser dans les canaux de la fibre, a été développé et caractérisé, démontrant ainsi la faisabilité de l’approche globale de mesure d’indices au sein des fibres microstructurées. En complément des mesures d’indice, une étude préliminaire a été réalisée afin de mettre en évidence la possibilité d’accroître la sensibilité thermique d’un réseau de Bragg à pas droits inscrit dans une fibre microstructurée, en insérant dans ses canaux un fluide dont l’indice est supérieur à une valeur ‘seuil’ fonction de la géométrie du guide. Ainsi il est possible de doubler la sensibilité thermique du réseau de Bragg, pour un profil de fibre et un indice de réfraction donné. Ainsi, la voie est désormais ouverte à toute une ingénierie de capteurs mettant en œuvre : réseaux de Bragg (droits ou en angle), fibres microstructurées optimisées et dispositifs fluidiques d’insertion ou d’extraction des liquides transducteurs ou à analyser. Les domaines d’emploi potentiel recouvrent de nombreux secteurs comme la biologie, la chimie ou l’environnement.
Author: Minh Châu Phan Huy
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Languages : fr
Pages : 243
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Author: Sébastien Triollet
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ISBN:
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Languages : fr
Pages : 225
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Book Description
[Les capteurs à fibres optiques présentent des qualités intéressantes en termes de tailles et de poids relativement faibles qui permettent de réduire l'intrusivité du capteur dans le matériau (ou dans la structure composite). Ils sont également insensibles aux perturbations électromagnétiques, stables et durables dans le temps, mais aussi sensibles à plusieurs sollicitations comme la température, la déformation et la pression, d'où un besoin essentiel de les discriminer. Parmi eux on distingue les réseaux de Bragg : ceux à courtes périodes (FBG : Fiber Bragg Grating) et ceux à longues périodes (LPG : Long Period Grating). Le travail de thèse reporté dans ce manuscrit, traite du développement d'un capteur à fibre optique basé sur la superposition d'un LPG et d'un FBG afin de mesurer et de discriminer la température et la déformation. De nombreuses approches sont proposées dans la littérature afin de découpler ces deux sollicitations cependant elles ne permettent pas forcément une utilisation en conditions réelles de mesures. C'est pourquoi nous introduisons la notion d'efficacité de découplage avec le paramètre E qui permet de comparer toutes ces approches et met en évidence un très bon potentiel pour la structure à base de réseaux superposés LPG/FBG. La mise en œuvre d'un tel composant est décrite dans ce manuscrit et consiste à inscrire initialement le LPG puis le FBG au même endroit et sur toute la longueur du LPG. De plus ce type de structure permet un multiplexage qui, bien que faible, est néanmoins possible. Les étalonnages en température et en déformation du capteur ont permis de mettre en évidence une erreur de l'ordre de 2% sur la sensibilité à la température et de 3% sur la sensibilité à la déformation, ce qui conduit à une erreur sur l'estimation de la température et de la déformation mesurée de l'ordre de 0.3°C et 3 microdef. Dans un souci applicatif, le capteur à base de réseaux de Bragg superposés est tout d'abord utilisé pour instrumenter une structure métallique soumise simultanément à une variation de température et de déformation. Les valeurs mesurées présentent une incertitude maximale de 0.4°C pour la température et de 3 me pour la déformation ce qui permet de valider notre composant pour le contrôle et la surveillance de structures métalliques. La seconde application étudiée est relative à l'instrumentation de pièces composites stratifiées de type verre/époxy pour le suivi de procédés d'élaboration par voie liquide : VARTM (Vacuum Assisted Resin Transfer Molding) et LRI (Liquid Resin Infusion), pour lesquels l'évolution de la température et de la déformation au cours du procédé est suivie par le capteur à base de réseaux de Bragg superposés LPG/FBG. Des mesures diélectriques (DEA) sont également réalisées au cours de ces procédés et permettent la comparaison et la validation de nos résultats]
Author: Mehrdad Mirshafiei
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Languages : fr
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Book Description
Author: Olivier Dubray
Publisher:
ISBN:
Category :
Languages : en
Pages : 152
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Book Description
Over the past decade, with the diversification of connected devices (PCs, Tablets, TVs and Smartphones), the Internet ecosystem has drastically extended. Today, 80 % world traffic is concentrated in the data centers where the data rate, the size and the cost is still growing. To address such scaling issues as bandwidth density, energy consumption and cost of the interconnects inside the data centers, the development of new optical transmitters is critical. The aim of this thesis is to propose and evaluate transmitter architectures using silicon photonics technology to address next 400 Gbit/s data rate standard over up to 2 kilometer links. The selected electro-optical modulator is the silicon ring resonator modulator which has substantial benefits: low footprint, low energy consumption and enables dense multiplexing. The optical transmitter architectures evaluations were successively optimized: from the active junction to the complete optical transmitter. This study identified the performances trade-offs impacted by the ring resonator modulator parameters. A compact model was generated to physically optimize the component in a reduced simulation time. Then, using the compact model, two transmitter architectures were studied based on classical architecture. Both are based on eight ring resonator modulators arranged in series modulating eight different wavelengths. The difference is the modulation format: the first one is electrically modulated at 50 Gbaud in 2-levels pulse amplitude modulation (PAM-2) and the second one at 25 Gbaud 4-levels pulse amplitude modulation (PAM-4). The two solutions fit the 400 Gbit/s performances demand with the use of the same trade-offs. Finally, new transmitter architectures were proposed to generate PAM-4 modulation. Unlike the previous architecture, they have in input two parallel bit streams which are optically combined to generate the PAM-4 modulation. The first solution is based on two silicon ring resonator modulator arranged in series. This architecture was validated through 30 Gbit/s transmission characterizations with only 1 Vpp. A second solution was then proposed, based on two silicon ring resonator modulators arranged in parallel in a Mach Zehnder interferometer. In the same way, transmission characterizations at 30 Gbit/s with 1.2 Vpp allows this architecture to be validated.
Author: Tuan Anh Truong
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Languages : fr
Pages : 181
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Book Description
Cette thèse vise à améliorer l'efficacité spectrale des transmissions sur fibres optiques dans le cadre de réseaux d'accès où une technique de modulation d'intensité et détection directe (IMDD) est utilisée. Dans cette thèse, l'utilisation des techniques de traitement du signal pour compenser des défauts du canal de transmission est analysée. La première partie de cette thèse est dédiée à la modélisation avancée d'une liaison de transmission sur fibres optiques. À la fois l'extraction des paramètres et la validation du modèle sont réalisées avec des mesures expérimentales. Exploitant le modèle du canal, la première étude concerne les techniques d'égalisation de canal pour une transmission classique de type non retour à zéro (NRZ). En outre, la performance du filtre de mise en forme de Nyquist est aussi étudiée. La deuxième étude de cette thèse est consacrée à l'évaluation des performances de la modulation OFDM. En particulier, les systèmes conventionnels de modulation adaptée proposés par Levin-Campello sont soumis à l'étude. En précodant des symboles OFDM par une matrice de la transformation de Fourier discrète (DFT), un système OFDM précodé qui permet de réduire la consommation de puissance du système OFDM est également proposé. Enfin, les techniques conventionnelles et proposées pour compenser des défauts d'une modulation OFDM, y compris l'important PAPR et la sensibilité à la synchronisation temporelle sont étudiées.
Author: Guillaume Bilodeau
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Languages : fr
Pages : 0
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Book Description
Au fil des années, les performances des capteurs à fibre optique ont largement dépassé celles des capteurs électriques traditionnels, et ce principalement grâce à la technologie des réseaux de Bragg à fibre optique (FBG). Ils sont d'ailleurs utilisés dans de nombreux domaines notamment l'aérospatial, la robotique et le médical. En considérant l'énorme demande pour les capteurs quasi-distribués à fibre optique, il est évident que la productivité de fabrication de ces composants photoniques devra être augmentée. Malheureusement, les techniques d'inscription de FBGs présentement utilisées par l'industrie basées sur l'utilisation d'un laser ultraviolet sont coûteuses et peu productives. Or, la technique utilisée dans les laboratoires du COPL depuis quelques années est beaucoup plus robuste : l'utilisation d'un laser femtoseconde à 800 nm permet d'inscrire des FBGs au travers du revêtement de la fibre sans l'endommager. Dans le but d'augmenter la productivité de fabrication des capteurs quasi-distribués, d'en réduire le coût de fabrication et d'en augmenter la fiabilité, un montage d'inscription de FBGs automatisé utilisant cette technique a été développé dans le cadre de cette maîtrise. Celui-ci a permis non seulement de développer des capteurs dans des fibres à simple cœur, mais aussi dans des fibres multicœurs. Ce type de capteurs, contrairement à sa version plus simple, permet de mesurer l'amplitude des contraintes appliquées au capteur, mais également leur direction. Le montage d'inscription est composé de plusieurs systèmes, soit un système d'inscription, de déroulement de la fibre, de rotation, d'imagerie et de marquage. Les nombreux ajouts et améliorations qui leur ont été faits au cours du projet ont permis d'optimiser le montage pour l'inscription automatisée de capteurs à fibre optique multicœur. Ainsi, la fiabilité des capteurs a pu être améliorée et leur temps d'inscription a pu être diminué de 2.4 fois.
Author: Rajendra Mitharwal
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Languages : fr
Pages : 166
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Book Description
Le travail présenté dans cette thèse propose de nouvelles techniques computationnelles spécifiquement conçus pour la conception des capes d'invisibilité d'effectuer ou de corps diélectriques à fréquence radio. Le travail commencé avec le développement d'un solveur rapide parallèle basé sur le hybride volume-surface équation intégrale. Le solveur rapide a été amélioré avec de multiples fonctionnalités état de l'art dont la méthode sans kernel pour la compression de la matrice du système, la décomposition hiérarchique de la matrice du système, un octree adaptative et l'algorithme ACA raffiné avec SVD. Contributions scientifiques nouveaux de ce projet répartis entre quatre thèmes tous liés à l'invisibilité cloaking. Ces apports sont les suivants: (i)~développement d'une nouvelle technique de régularisation de la répartition spectrale d'une maille, qui se appuie sur préconditionnement du graphe associé Laplacien, (ii)~algorithme d'optimisation hiérarchiquement préconditionné pour la réduction du champ dispersé en raison d'une invisible capes qui couvre un objet conducteur, (iii)~nouvelles stratégies \cald de régularisation des techniques de source inverse et (iv)~une nouvelle méthodologie de conception de capes d'invisibilité effet de levier sur la diffusion inverse en fonction du volume équation intégrale. Développements théoriques sont corroborées par les résultats numériques et les applications qui montrent l'impact pratique des techniques nouvellement développées.
Author: Simon Obenofunde
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Languages : fr
Pages : 0
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Book Description
La mise en réseau de capteurs sans fil s'intègre dans presque tous les domaines des activités humaines. Les moteurs de cette technologie comprennent ses domaines d'application et les améliorations des techniques de fabrication microélectroniques. Le réseau est constitué de plusieurs nœuds de capteurs de petite taille déployés dans la zone à détecter. Les nœuds ont des capacités de traitement, de communication et de détection qui leur permettent d'exécuter leur fonction de manière collaborative. Ils détectent les événements et transmettent les informations à un puits directement ou via des nœuds intermédiaires servant de relais.Des progrès considérables ont été réalisés sur cette technologie au cours des dernières années, cependant la gestion de l'énergie n'a pas connu la même évolution. Ceci est principalement dû au fait que la batterie est la principale source d'énergie. De plus, l'environnement du réseau peut empêcher les batteries d'être rechargées ou changées après le déploiement.Une solution classique à ce problème d'efficacité énergétique réside dans la gestion des cycles d'activation. Il s'agit d'alterner, de façon périodique ou non, les états actif et inactif des nœuds. Cela introduit des problèmes de performances réseaux en termes de disponibilité, de latence et de taux d'acheminement des paquets, car les nœuds inactifs ne participent pas aux communications. Il est donc important de trouver des solutions permettant d'utiliser les cycles d'activation tout en garantissant la disponibilité et en réduisant la latence et le taux de perte de paquets.Dans cette thèse, nous utilisons le cycle d'activation en combinaison avec la gestion de la topologie pour prolonger la durée de vie du réseau. Nous proposons cinq algorithmes pour construire différentes topologies que nous divisons en deux classes. La première classe organise les nœuds en ensembles de manière répétitive et entrelacée. C'est-à-dire que les nœuds appartenant à différents ensembles sont intercalés de manière à assurer la continuité des communications. La seconde classe d'algorithmes organise les nœuds en ensembles successifs en couronne. Nous avons montré expérimentalement la construction des différents ensembles.En utilisant la construction successive d'ensembles, nous proposons deux algorithmes qui construisent des réseaux dorsaux (backbones) virtuels disjoints pouvant être activés alternativement. Une évaluation des algorithmes fait ressortir leur efficacité, avec notamment un facteur d'approximation faible (de l'ordre de 3.5) en comparaison avec ceux des travaux de la littérature.Nous proposons ensuite un protocole basé sur les mécanismes de sommeil et relais sur ces topologies. Les périodes d'activité/inactivité sont définies par ensemble. Les résultats expérimentaux montrent que ce protocole permet une économie d'énergie sans dégrader les critères de performance tels que la latence et le taux d'acheminement des paquets.
Author: Tommy Boilard
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Languages : en
Pages : 119
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Book Description
Les capteurs distribués qui font appel à des réseaux de Bragg inscrits dans des fibres optiques multicœurs sont de plus en plus utilisés pour mesurer différents paramètres physiques délocalisés. En utilisant l'information qui provient de chacun des cœurs de la fibre, il est possible de reconstruire sa forme tridimensionnelle, ce qui trouve actuellement de nombreuses applications innovantes, notamment en robotique et dans le domaine médical. Dans le cadre du programme Sentinelle Nord, le principal objectif de mon projet de maîtrise était de développer de tels capteurs pour le suivi des impacts du dégel du pergélisol dans les régions nordiques. Deux applications avaient initialement été ciblées. La première application consistait à mesurer la vitesse (et la direction) des écoulements d'eau souterraine qui jouent un rôle important dans la transmission de chaleur et qui doivent être considérés dans la modélisation numérique des processus physiques pour simuler la dynamique du pergélisol. La deuxième application consistait à suivre les tassements au dégel du pergélisol en reconstruisant le profil 3D d'un capteur à fibre optique qui y serait enfouie. Un modèle théorique de leur sensibilité à un écoulement d'eau a été développé et a permis de conclure que la vitesse des écoulements d'eau souterraine typiques était beaucoup trop faible pour être mesurée. Afin de s'attaquer à la seconde application, nous avons développé une nouvelle technologie de fibre multicœur où 3 fibres optiques ont été assemblées dans une préforme microstructurée en polycarbonate en l'étirant directement sur une tour à fibre. La caractérisation des réseaux de Bragg de cette fibre hybride verre-polymère a montré qu'elle est 7 fois plus sensible que les fibres optiques multicœurs traditionnelles. Les développements réalisés pour cette seconde application ont fait l'objet d'une publication d'un article scientifique dans le journal Optics Express. Dans le cadre de ce projet, et en parallèle à ces travaux, une méthode flexible d'inscription de réseaux de Bragg distribués sur une fibre optique avec un seul masque de phase uniforme a été développée. Grâce à cette méthode, une accordabilité record de 70 nm, soit plus de 15 fois supérieure à tout ce qui a été obtenu auparavant, a été atteinte.
